永川深層頁巖氣藏水平井體積壓裂技術(shù)

鐘森 譚明文 趙祚培 林立世

中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)管理部

四川盆地頁巖氣資源量豐富，通過近幾年的快速發(fā)展，目前已有涪陵、長寧、威遠(yuǎn)頁巖氣田實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，推動(dòng)了我國頁巖氣開發(fā)水平［1］。永川區(qū)塊地理上位于重慶市永川區(qū)，構(gòu)造上處于川東斷褶帶向南呈帚狀撒開的低背斜群，構(gòu)造呈“兩凹夾一隆”的格局。勘探開發(fā)思路采用整體部署、評(píng)探結(jié)合、滾動(dòng)建產(chǎn)、效益開發(fā)。

永川區(qū)塊開發(fā)層位為龍馬溪頁巖氣層，埋藏深度 3 700～4 200 m、地層壓力 67～71 MPa、地層溫度148～159 ℃、壓力系數(shù)1.7。龍馬溪優(yōu)質(zhì)頁巖段厚36.5～41.5 m，鉆井水平段長1 500 m 左右，優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率均達(dá)到100%，采用?139.7 mm 套管完井、橋塞+射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)投產(chǎn)［2］。

1 深層頁巖氣壓裂存在的問題

國內(nèi)深層頁巖氣主要分布區(qū)域在川東南地區(qū)，包括礁石壩外圍、丁山、南川、永川、威遠(yuǎn)區(qū)域，其中施工層位最深超過4 600 m。深層頁巖壓裂主要面臨幾個(gè)問題：一是地層應(yīng)力高、三軸地應(yīng)力關(guān)系復(fù)雜、層理縫發(fā)育，導(dǎo)致造縫寬度窄，大規(guī)模加砂難度大；二是巖石脆性特征減弱、塑性特征增強(qiáng)，兩向地應(yīng)力差值大于10 MPa，裂縫復(fù)雜程度及改造體積低；三是閉合壓力高，改造程度低，導(dǎo)流能力遞減快，裂縫易失效，長期穩(wěn)產(chǎn)能力差［3-4］。要成功壓裂深層頁巖需要解決加砂、造復(fù)雜縫及裂縫失效的問題。

2 壓裂材料

2.1 工作液

高黏壓裂液濾失低，可以適當(dāng)提高縫內(nèi)凈壓力，對(duì)攜砂造主縫更為有利；低黏壓裂液流動(dòng)迅速，濾失大，有利于在窄縫、微小天然裂縫中流動(dòng)，可以向井筒的遠(yuǎn)端流動(dòng)，從而擴(kuò)大改造體積［5］。為解決深層大規(guī)模加砂難的難題，采用低黏降阻水(黏度小于6 mPa · s)、高黏降阻水(黏度9～15 mPa · s)、高黏膠液(高溫剪切后黏度大于50 mPa · s)多種液體組合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，配制的液體降阻率均在80%以上。降阻水配方為：0.07%～0.1%降阻劑+0.03%助排劑；膠液配方：0.2%稠化劑+0.03%助排劑+0.3%流變助劑。運(yùn)用Meyer 軟件對(duì)比2 000 m3液量時(shí)不同膠液與降阻水比例下的裂縫體積與導(dǎo)流能力(圖1)，為增大裂縫體積、提高導(dǎo)流能力，確定降阻水所占比例為60%～70%。

圖1 不同液體比例對(duì)應(yīng)的裂縫體積和導(dǎo)流能力值Fig.1 Fracture volumes and flow conductivity at different fluid proportions

2.2 支撐劑

頁巖氣壓裂形成多尺度的裂縫系統(tǒng)，較寬的主裂縫、較窄的次級(jí)裂縫和自支撐的微裂縫系統(tǒng)，為保證支撐劑在裂縫中的順利運(yùn)移和有效充填，采用多種粒徑的組合，實(shí)現(xiàn)各級(jí)裂縫的有效支撐［6-7］。

永川龍馬溪閉合應(yīng)力85～90 MPa，考慮覆膜砂強(qiáng)度不夠，選擇低密度(體密度1.40～1.55 g/cm3)、抗壓 86 MPa、70/140 目+40/70 目+30/50 目的組合陶粒。70/140 目粉陶進(jìn)入微小裂縫，40/70 目的陶粒支撐主縫和次縫，30/50 目陶粒進(jìn)行尾追，增加縫口導(dǎo)流能力。采用Meyer 軟件模擬,次級(jí)裂縫導(dǎo)流能力大于0.3 μm2· cm 即滿足需求，室內(nèi)短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)顯示相關(guān)支撐劑導(dǎo)流能力均滿足要求(圖2)。根據(jù)室內(nèi)不同比例支撐劑的導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)，確定最優(yōu)組合，粉陶所占 10%～25%、40/70 目陶粒占 65%～85%、30/50 目陶粒占5%左右。

圖2 相同鋪砂濃度下支撐劑導(dǎo)流能力Fig.2 Flow conductivity of proppants at the same proppant concentration

3 壓裂工藝優(yōu)化

3.1 分段工藝

永川頁巖氣井采用?139.7 mm 套管射孔完井，選擇橋塞分段工藝。目前主要有可鉆、大通徑免鉆、可溶3 種類型橋塞，永川地區(qū)停泵壓力高(大于65 MPa)，壓后掃塞存在井控風(fēng)險(xiǎn)，可鉆橋塞不適用。大通徑投球式橋塞可滿足射孔無法點(diǎn)火情況下的二次泵送，在目前水平井中應(yīng)用最多，且具有低成本的優(yōu)勢(shì)。因此，永川地區(qū)選擇大通徑橋塞(內(nèi)徑69 mm)+可溶球(直徑82 mm)分段，同時(shí)試驗(yàn)應(yīng)用了20 只可溶橋塞(圖3)，壓后連油通井顯示球和橋塞完全溶解，井筒暢通。

3.2 分段分簇優(yōu)化

頁巖氣水平井分段分簇是確定射孔位置和分簇?cái)?shù)，常用的方法是依據(jù)油藏?cái)?shù)值模擬的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量來確定壓裂段數(shù)，再結(jié)合測(cè)錄井解釋結(jié)果，選擇含氣性好、可壓性好的地質(zhì)工程雙甜點(diǎn)進(jìn)行射孔，最大程度實(shí)現(xiàn)體積改造［8-10］。采用ECLIPSE 數(shù)值模擬軟件模擬永川1 500 m 水平段55～80 簇的產(chǎn)量，產(chǎn)量隨壓裂簇?cái)?shù)增加而增大，壓裂簇?cái)?shù)大于70 時(shí)累產(chǎn)量遞增減緩，初步推薦70～75 簇左右。見圖4。

圖3 可溶橋塞實(shí)物圖Fig.3 Soluble bridge plug

圖4 不同簇?cái)?shù)日產(chǎn)量預(yù)測(cè)Fig.4 Prediction of daily production with different clusters

建立沿水平井筒的兩向應(yīng)力差值、脆性指數(shù)剖面，將水平段分為3 區(qū)(圖5)。1 區(qū)低應(yīng)力差值，相對(duì)利于形成縫網(wǎng)，適當(dāng)增大簇間距；2 區(qū)應(yīng)力差值、脆性指數(shù)中等，分簇間距適中；3 區(qū)應(yīng)力差值大，形成縫網(wǎng)難度更大、施工難度更高，適當(dāng)減小簇間距、考慮單段兩簇壓裂。

圖5 水平段儲(chǔ)層可壓性分區(qū)示意圖Fig.5 Zone division diagram based on fracturability of reservoirs in lateral section

同時(shí)，TOC 含量高、氣測(cè)顯示好、高伽馬的井段為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段，加密分段；裂縫發(fā)育段、預(yù)測(cè)螞蟻體發(fā)育段減小至1～2 簇?cái)?shù)，防止壓裂中套管損傷及改造不充分；水平段下凹至寶塔組地應(yīng)力較高，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，采用2 簇壓裂；固井質(zhì)量差的井段擴(kuò)大簇間距。

3.3 泵注工藝設(shè)計(jì)

3.3.1 多段制注入模式

充分利用不同黏度壓裂液的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行變黏度的多級(jí)交替注入，實(shí)現(xiàn)主導(dǎo)裂縫充分延伸及大范圍的復(fù)雜裂縫溝通，同時(shí)增加加砂量。采用“酸預(yù)處理+膠液前置+粉陶段塞+降阻水加膠液連續(xù)加砂+降阻水段塞式高砂比加砂+膠液大粒徑加砂”6 段制混合注入模式，并采用13～15 m3/min 的大排量注入方式(表1)。

表1 深層壓裂典型的泵注模式Table 1 Typical pumping mode for deep zone fracturing

3.3.2 加砂模式

深層頁巖氣壓裂裂縫寬度不足，敏感砂比低，容易導(dǎo)致加砂困難出現(xiàn)砂堵。為順利加砂，采用先細(xì)后粗加砂、低砂比連續(xù)加砂、大段中頂膠液、高砂比段塞、拇指加砂等方法［11］。中、低砂比加砂階段采用大液量連續(xù)加砂，爭(zhēng)取平穩(wěn)加砂；加入大量支撐劑后，注入100 m3以上的純液體推動(dòng)支撐劑移動(dòng)，防止縫內(nèi)充填脫砂；高砂比階段壓力高，風(fēng)險(xiǎn)大，利用中頂液推動(dòng)段塞至遠(yuǎn)端；在一個(gè)段塞加砂后期提高砂比至下個(gè)段塞的砂比，探測(cè)下個(gè)高砂比的難易程度，防止高砂比階段出現(xiàn)砂堵的突發(fā)情況(圖6)。

4 配套工藝

4.1 射孔工藝

深層頁巖氣井以大孔徑、等孔徑、深穿透為目標(biāo)，采用超深穿透射孔彈+槍套扶正，孔徑一致性較好。統(tǒng)計(jì)射孔槍身發(fā)射的孔彈孔徑為7.4～11 mm，平均值為8.95 mm，8～10 mm 孔徑占 90.9%。初期采用 3 簇×1 m/簇、2 簇×1.5 m/簇射孔，后期試驗(yàn)3 簇×0.6 m/簇、2 簇×0.9 m/簇、2 簇×0.6 m/簇?？s短射孔簇后，多次閉合的特征相對(duì)更明顯，3 簇都進(jìn)液的可能性相對(duì)更大。但射孔段長小于1.8 m 后，泵注壓力高、加砂難度大，顯示了較高的摩阻。

圖6 YY2HF 井第 9 段壓裂曲線Fig.6 YY2HF stage 9th fracturing curve

4.2 暫堵工藝

注入的暫堵劑在先壓開裂縫口處形成暫時(shí)封堵，井底壓力升高迫使液體轉(zhuǎn)向，最終所有射孔簇按破裂壓力由低到高依次得到改造，可在不增加橋塞用量的前提下增加分段效果，實(shí)現(xiàn)體積壓裂［12］。YY2HF 井試驗(yàn)了金屬可溶暫堵劑暫堵工藝，分2 次投放，第 1 次投放直徑 1～2、4、8 mm 小顆粒暫堵劑，第2 次投放直徑12 mm 圓球暫堵劑，兩次投放共計(jì)8 kg。施工曲線顯示暫堵后在相同排量下施工壓力上升3.5 MPa、停泵壓力上升1.72 MPa，縫口暫堵工藝初步取得成功，可以作為保證各射孔簇有效改造的輔助手段。見圖7。

4.3 壓后悶井

壓后進(jìn)行長時(shí)間悶井，壓裂液中的水通過毛細(xì)管自吸作用進(jìn)入巖石基質(zhì)，頁巖基質(zhì)中礦物顆粒間原有的氫鍵被羥基取代進(jìn)而發(fā)生水化作用，造成黏土顆粒膨脹運(yùn)移，從而形成新的微裂紋，利于后期生產(chǎn)［13］。采用巖心進(jìn)行自吸實(shí)驗(yàn)，自吸量約為0.45 g(圖8)，約占樣品總孔隙體積的30%，且?guī)r心破碎產(chǎn)生明顯的裂紋。統(tǒng)計(jì)幾口井壓后關(guān)井井口壓力降落趨勢(shì)，在150 h 左右出現(xiàn)穩(wěn)定，所以，確定永川地區(qū)壓后悶井溶球時(shí)間為7 d。

圖7 3 種暫堵劑及暫堵施工曲線Fig.7 3 types of temporary plugging agents and corresponding curves

圖8 YY3-1HF 井巖心水自吸量與時(shí)間關(guān)系Fig.8 YY3-1HF core water imbibition vs.time

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

永川深層龍馬溪?dú)獠厍捌趬毫? 口井，施工成功率100%，施工參數(shù)見表2。

通過壓裂軟件壓后分析顯示(表3)，裂縫長度達(dá)250 m 以上，帶寬約60 m 左右，縫高45 m，單段平均改造體積159×104m3，單井平均改造體積3 339×104m3，達(dá)到了一定程度的體積改造目的。YY1HF井平均日產(chǎn)氣 6×104m3，已累產(chǎn)氣 3 200×104m3，具有較好的穩(wěn)產(chǎn)能力。

表2 永川地區(qū)龍馬溪壓裂施工參數(shù)Table 2 Yongchuan Longmaxi fracturing parameters

表3 永川地區(qū)龍馬溪壓裂體積計(jì)算Table 3 Yongchuan Longmaxi fracturing volume calculation

6 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)要實(shí)現(xiàn)深層頁巖氣壓裂高效加砂、有效支撐，采用高、低黏度組合液體和不同粒徑組合支撐劑可降低注入難度，增加裂縫體積，提升多級(jí)裂縫的支撐效果。

(2)采用多段制混合注入模式及特殊加砂工藝確保了大規(guī)模加砂的順利完成，縮短了射孔段長度、縫口暫堵工藝有利于提高多簇改造有效性。永川龍馬溪?dú)獠叵绕趬毫? 口井，測(cè)試產(chǎn)量及穩(wěn)產(chǎn)效果較好，基本達(dá)到了體積改造目的。

(3)深層頁巖氣開發(fā)還處于探索階段，需要著重解決提高裂縫復(fù)雜性和單井產(chǎn)量的問題，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)及產(chǎn)剖測(cè)量情況，繼續(xù)優(yōu)化壓裂材料、簇間距、加砂規(guī)模、縫口暫堵等關(guān)鍵工藝參數(shù)。